Приложение 8. Определение прочностных характеристик грунтов

Приложение 8

Определение прочностных характеристик грунтов

Прочностные характеристики грунтов - угол внутреннего трения и сцепление должны устанавливаться, как правило, в полевых условиях и только при невозможности выполнения этого требования - в лаборатории. В первом случае исследования проводятся с помощью полевого прибора одноповерхностного вращательного среза (ОВС) конструкции Гипродорнии (авторское свидетельство N 485195 от 3.5.73 г.).

Половое определение прочностных характеристик грунта производится следующим образом. Крыльчатка в сборе (рис. 1) с секторным прессом (секторные штампы с распределительным кругом) навинчивается на центральную штангу (или колонну штанг в зависимости от глубины проведения испытаний). Собранная крыльчатка устанавливается на месте проведения испытаний и фиксируется в вертикальном положении с помощью треноги, а на штангу нанизываются грузы в количестве, необходимом для создания требуемого нормального давления на поверхности среза .

После создания требуемого нормального давления крыльчатка забивается (или задавливается) в грунт на 2-3 см. Глубина погружения крыльчатки фиксируется по рискам на штанге.

На штангу надевается измерительное устройство, крыльчатка медленно проворачивается, и замеряется величина максимального крутящего момента . После срыва крыльчатка проворачивается на 360° и останавливается на 5 мин для восстановления сцепления связности (см. Методические указания по оценке местной устойчивости откосов и выбору способов их укрепления в различных природных условиях ЦНИИС, 1970). Затем повторяется поворот крыльчатки и определяется крутящий момент , характеризующий пластичную часть общего момента .

После первого эксперимента масса грузов увеличивается в 2 раза, крыльчатка заглубляется еще на 2-3 см, и описанный выше опыт повторяется, но уже при удвоенной нормальной нагрузке с соответственным определением и .

После второго опыта крыльчатка извлекается из грунта и на ее место на глубину второго опыта (или несколько меньшую) задавливается специальный полый цилиндр, служащий для замера, трения грунта по металлу. Этот цилиндр проворачивается, и замеряется максимальный момент сил трения грунта по металлу .

Частные значения сопротивляемости грунта сдвигу рассчитываются по общей формуле для каждого из двух экспериментов:

, (1)

где - максимальное значение крутящего момента при вращении крыльчатки, ; n - коэффициент пересчета, учитывающий разницу в геометрических размерах кольца крыльчатки и специального цилиндра; - максимальное значение крутящего момента сил трения грунта на поверхности специального цилиндра, ; - внутренний радиус кольца крыльчатки, см; - упругая часть крутящего момента, равная ; - пластичная часть крутящего момента.

Коэффициент пересчета n равен:

- при задавливании внешнего кольца вне точки испытания крыльчаткой.

- при задавливании внешнего кольца в точке испытания крыльчаткой.

где - наружный радиус кольца крыльчатки, см, h - глубина задавливания крыльчатки, см, , - соответственно наружный и внутренний радиусы специального цилиндра, см, H - глубина задавливания специального цилиндра, см.

Полученные в результате двух испытаний в одной точке при различных нормальных давлениях значения сопротивляемости грунта сдвигу позволяют составить систему из двух уравнений Кулона

(2)

где и - сопротивляемости грунта сдвигу при срезе под нагрузкой от массы грузов соответственно и (нормальные давления и ); и - соответственно угол внутреннего трения и сцепления при данной влажности.

Решение системы уравнений (2) позволяет найти искомые характеристики и .

Определение пластичной части сопротивляемости сдвигу производится по формуле

. (3)

Для разделения общего сцепления на его составляющие структурное сцепление и сцепление связности следует использовать выражения

, (4)

где - сопротивляемость сдвигу, соответствующая ,

. (5)

Лабораторное определение и производится на лабораторной модификации того же прибора ОВС (рис. 2). В отдельных случаях можно определять прочностные характеристики и на стабилометрах, например, типа М-2 конструкции Медкова (см. Практическое руководство к исследованию механических свойств грунтов с применением стабилометра М-2 Госэнергоиздат, 1959) или срезных приборах конструкции Маслова - Лурье.

Однако наиболее приемлемым следует считать ОВС-1л, так как в этом случае обеспечивается сопоставимость результатов с данными полевых исследований.

Испытания в лабораторных условиях производятся на приборе типа ОВС с монолитами или грунтами нарушенного сложения.

Приготовление образцов в последнем случае выполняется в соответствии с п. 2.4.14 настоящих ТУ.

Порядок испытаний грунтов состоит в следующем. Уплотненный в форме грунт накрывается штампом 5 с завинченной пробкой и выдерживается под нагрузкой, создаваемой с помощью рычага 2 и грузов. После требуемой выдержки грунта под нагрузкой центральная пробка вывинчивается, а часть грузов снимается для выравнивания нагрузки. В образовавшееся отверстие устанавливается крыльчатка с секторными штампами. На штангу 13 надеваются грузы 16 в количестве, необходимом для создания требуемого начального нормального напряжения.

В случае испытаний, моделирующих работу грунта под дорожной одеждой, начальное нормальное давление должно быть равно удельному давлению от дорожной одежды плюс величина напряжений в земляном полотне от расчетного автомобиля.

Для этого значения нормальной нагрузки назначают для усовершенствованных покрытий капитального и облегченного типа 0,05-0,15 от , для покрытий переходного типа 0,15-0,25 ( - давление на покрытие от колеса расчетного автомобиля).

В случае испытаний, моделирующих работу грунта в откосах, начальная нормальная нагрузка назначается по формуле ,

где - объемная масса грунта; h - глубина проведения испытаний от поверхности насыпи (выемки).

После создания требуемого напряженного состояния крыльчатка задавливается или забивается в грунт на глубину 5-10 мм. К диску 11 с помощью грузов 3 ступенями по 0,2 кгс прикладывается крутящий момент, а по лимбу на поверхности столика 15 определяется угловая деформация.

Каждая ступень нагрузки выдерживается в течение 1 мин после завершения деформации с последующим увеличением до срыва грунта.

Максимальный крутящий момент определяется по формуле

, (6)

где - общий вес грузов, соответствующий моменту срыва, кгс; - радиус диска, см.

По аналогичной формуле определяется и пластичная часть крутящего момента

, (7)

где - вес груза, соответствующий моменту пластичного срыва.

Испытания проводятся при трех последовательных сдвигах грунта при нагрузке , и с соответствующим задавливанием крыльчатки на каждом сдвиге на глубину не менее чем 0,5 см. После опытов крыльчатка извлекается и в грунт по аналогии с полевым экспериментом задавливается специальный цилиндр. Цилиндр проворачивается путем ступенчатого приложения крутящего момента с последующим определением максимального момента сил трения грунта по металлу . Определение сопротивляемости грунта сдвигу по результатам испытаний проводится по формулам, используемым при полевых испытаниях. При этом в примечании указывается величина кольцевой нагрузки .

Обработка результатов для получения значений и может производиться как аналитическим способом по формулам, используемым в полевых испытаниях, так и графически. Графическое определение угла внутреннего трения и сцепления проводится путем построения графиков ; аналогично существующему способу обработки результатов испытаний на срезных приборах.

Для определения прочностных характеристик грунтов, имеющих включения щебня, гравия и других крупных частиц размером 10 мм в количестве до 40%, нельзя использовать указанные выше приборы. В этих случаях может быть использована клиновая установка типа КУ-54 (рис. 3), основанная на испытании грунтов методам косого среза. Этот метод заключается в смещении двух кососимметричных частей грунтового цилиндра по плоскости, расположенной под различными углами к поперечному сечению. Для получения прочностных характеристик необходимо срез произвести не менее чем при трех различных значениях угла . В данной методике применяются углы 30, 40, 50 и 60°.

Отбор испытуемых образцов грунта можно производить из кернов при проходке скважины или из монолитов при проходке шурфов. Перед отбором образцов из мополитов или кернов клиновая обойма собирается из своих половин 5 и 6 с закреплением фиксаторами и соблюдением зазора между ними 2-6 мм в зависимости от величины твердого включения. Монолит для отбора образцов должен иметь размеры 120х120х120 мм, керн - диаметр 127 и высоту 200 мм.

Для уменьшения сопротивления врезке и нарушения структуры грунта на обойму насаживается врезное кольцо. Заполнение обоймы грунтом производится обычным задавливанием с последующей зачисткой торцов образца. По окончании заполнения обоймы фиксаторы отпускаются, направляющие вынимаются из втулок, врезное кольцо снимается, и обойма с грунтом помещается в подвижную каретку 7 под упорный винт 1. Затем устанавливается переходник 4 и динамометр 3. Сдвиг образца производится давлением, создаваемым упорным винтом 1 через динамометр 3, кот